[發(fā)明專利]一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211434857.5
• 申請(qǐng)日: 2022-11-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115664253A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-01-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王佩紅;曹寶;陳旭;汪忠柱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N1/04
• 分類號(hào): H02N1/04
• 代理公司: 合肥天明專利事務(wù)所(普通合伙) 34115
• 代理人: 周靜

本發(fā)明公開(kāi)了一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)，包括中心軸桿，中心軸桿由內(nèi)向外呈嵌套結(jié)構(gòu)設(shè)置有多個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)單元，摩擦納米發(fā)電機(jī)單元的尺寸隨著與中心軸桿之間距離的增大而增大；每個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)單元包括轉(zhuǎn)子和定子；本發(fā)明在傳統(tǒng)擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)之上，通過(guò)耦合多個(gè)擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)單元，一方面充分利用了內(nèi)部空間，顯著提升空間利用率，且輸出性能也得到大幅增加。另一方面，多個(gè)擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)單元的尺寸以及質(zhì)量塊質(zhì)量截然不同，使得在外界激勵(lì)驅(qū)動(dòng)下，各自的有效工作頻帶不同，從而整個(gè)器件可以收集較寬頻帶內(nèi)的微弱機(jī)械能量，可以有效適應(yīng)高熵低頻的外界環(huán)境。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體的，涉及一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，化石能源的燃燒引發(fā)種種問(wèn)題，新能源的開(kāi)發(fā)與利用逐漸成為焦點(diǎn)問(wèn)題；同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)越發(fā)重要，但是利用電池的傳統(tǒng)供電方式需要充電、更換和維護(hù)等復(fù)雜的人工操作，且對(duì)環(huán)境的不良影響日益嚴(yán)重。因此，需要開(kāi)發(fā)一種自驅(qū)動(dòng)、分布式、環(huán)境友好型的電源來(lái)為分布式傳感器供電。2012年，王中林院士團(tuán)隊(duì)首次提出摩擦納米發(fā)電機(jī)，可以將周圍環(huán)境的微小機(jī)械能量轉(zhuǎn)換成電能，由于自身存在的小尺寸、低成本、高能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢(shì)，逐漸在能量收集和自驅(qū)動(dòng)傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出非凡的應(yīng)用前景。

摩擦納米發(fā)電機(jī)基于摩擦起電和靜電感應(yīng)機(jī)理的耦合，利用兩種極性不同的摩擦材料相互摩擦，在二者表面分別產(chǎn)生極性相反的感應(yīng)電荷，從而產(chǎn)生電勢(shì)差，配合外部管理電路，即可輸出電能。由于自身獨(dú)特的工作機(jī)制，摩擦納米發(fā)電機(jī)在低頻環(huán)境中的能量收集效率顯著高于傳統(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)，尤其在海洋能這類高熵低頻能量收集中展現(xiàn)出非凡潛力。而目前收集海洋能的擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī),例如芮品淑等人在《Nano Energy》(《納米能源》，2020年74期，文獻(xiàn)號(hào)104937)發(fā)表了題為“High-performance cylindrical pendulumshaped triboelectric nanogenerators driven by water wave energy for full-automatic and self-powered wireless hydrological monitoring system”(“水波能驅(qū)動(dòng)的自驅(qū)動(dòng)且全自動(dòng)無(wú)線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高性能圓柱形擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)”)的論文，主要結(jié)構(gòu)由兩個(gè)圓柱筒組裝而成，內(nèi)部還有極大的空間沒(méi)有被充分利用，其空間利用效率較低；且受到自身擺動(dòng)部件固有頻率限制，只能在極窄頻率寬度內(nèi)有較好的輸出性能，而偏離最佳頻率后幾乎不工作，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多變的海洋等環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是迎合能量收集和傳感器需求，提供一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)，一方面利用多筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高內(nèi)部空間利用率和輸出性能，另一方面可以利用不同擺動(dòng)部件的固有頻率不同這一特性，實(shí)現(xiàn)寬頻帶能量的收集(主要是各種微弱的低頻機(jī)械能量)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)，包括中心軸桿，中心軸可以由亞克力或金屬材料制成，中心軸桿由內(nèi)向外呈嵌套結(jié)構(gòu)設(shè)置有多個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)單元，多個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)單元同軸布置；摩擦納米發(fā)電機(jī)單元的尺寸隨著與中心軸桿之間距離的增大而增大；摩擦納米發(fā)電機(jī)單元包括與中心軸桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接的轉(zhuǎn)子以及布置在轉(zhuǎn)子外側(cè)且與中心軸桿固定連接的定子；其中

定子包括固定圓筒和電極陣列；固定圓筒包括固定筒體以及對(duì)稱固定在固定筒體兩端的固定筒體蓋板，電極陣列固定在固定筒體的內(nèi)壁；固定筒體蓋板的中心具有中心孔，固定筒體蓋板通過(guò)中心孔與中心軸桿固定連接；電極陣列包括等間距排列的若干個(gè)電極單元，電極單元可以用銅、鋁、銀等金屬導(dǎo)電材料制作；電極單元的總數(shù)量為偶數(shù)；若干個(gè)電極單元被均分后串聯(lián)形成第一電極和第二電極，且相鄰的兩個(gè)電極單元分別屬于第一電極和第二電極。優(yōu)選的，固定圓筒由絕緣材料制作，或用金屬制作并在表面貼絕緣層。